KR20230139944A - 독립형 액화수소 저장탱크 및 이를 구비한 해상 운송 수단 - Google Patents

독립형 액화수소 저장탱크 및 이를 구비한 해상 운송 수단 Download PDF

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Abstract

내부에 저장되는 액화수소와 직접 접하면서 1차적인 기밀을 수행하는 1차 방벽; 1차 방벽의 외측으로부터 일정 거리 이격되어 설치되며 1차 방벽과의 사이에 폐공간을 형성하는 2차 방벽; 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공단열층; 2차 방벽의 외측을 둘러싸도록 설치되는 보조단열층; 1차 방벽과 2차 방벽 사이에 설치되어 1차 방벽을 지지하는 다수의 1차 방벽 지지체; 및 2차 방벽과 선체 구조물 사이에 설치되어 2차 방벽을 지지하는 다수의 2차 방벽 지지체를 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크 및 이를 구비한 해상 운송 수단이 개시된다.

Description

독립형 액화수소 저장탱크 및 이를 구비한 해상 운송 수단 {Independent liquefied hydrogen storage tank and marine transportation means equipped therewith}
본 발명은 독립형 액화수소 저장탱크 및 이를 구비한 해상 운송 수단에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 끓는점이 현저히 낮은 수소의 저장 및 운송에 최적화된 고성능 단열시스템을 갖춘 독립형 액화수소 저장탱크 및 이를 구비한 해상 운송 수단에 관한 것이다.
일반적으로 수소의 운송은 크게 내륙에서의 운송과 해상에서의 운송으로 구분할 수 있다. 내륙에서 수소의 운송은 파이프 라인을 이용하거나 전용 수송 차량 또는 철도 등을 이용하여 이루어질 수 있고, 해상에서 수소의 운송은 특수한 저장설비를 갖춘 선박을 통해 이루어질 수 있다.
파이프 라인을 제외한 내륙 및 해상을 통한 수소 운송의 공통적인 특징은 수소를 저장할 수 있는 특수한 저장설비가 갖추어진 운송 수단을 통해 이루어진다는 점이다. 특히 효율적인 수소의 운송을 위해서는 기체 상태의 수소를 냉각 그리고/혹은 가압하여 액화시킨 상태로 저장설비에 저장하여 운송하는 것이 바람직하다는 것이 일반적인 견해이다.
액화수소의 저장을 위해 다양한 기술이 적용될 수 있다. 구체적으로 해상과 육상에서 모두 적용되고 있는 멤브레인형 탱크(membrane type tank) 저장기술과 주로 해상에서 적용되고 있는 독립형 탱크(independent type tank) 저장기술이 고려될 수 있다. 독립형 탱크는 압력용기(pressure vessel)로 지칭되는 Type C 탱크와 상압탱크(atmospherical tank)인 Type A 탱크 및 Type B 탱크로 구분될 수 있다.
상기한 저장기술들은 현재 상용화되어 있는 것들로서 기술적으로 구현하는데 큰 어려움이 없지만, 이러한 기존 저장기술들은 주로 LNG(액화천연가스)나 LPG(액화석유가스)의 저장에 적합하게 설계된 것으로서, 기존의 저장기술들의 단열방식으로는 LNG나 LPG 등과 대비하여 액화 온도(끓는점)가 현저히 낮은 수소를 상당한 기간 동안 손실 없이 저장하여 운송하기에는 무리가 있다.
기존의 저장기술들을 액화수소의 저장에 이용하기 위해서는 저장탱크(혹은 저장용기)에 갖추어지는 단열시스템의 단열 두께를 수배에서 수십배까지 증가시키거나 진공단열재와 같은 고성능 단열재를 추가적으로 적용하는 등의 설계 변경이 필수적으로 고려될 수 밖에 없으며, 기존의 저장기술들을 끓는점이 현저히 낮은 액화수소의 저장에 바로 적용할 수는 없는 실정이다.
기체 상태의 수소는 상압(atmospherical pressure)에서 -253℃의 끓는점을 가지기 때문에 해당 온도까지 냉각이 되어야 기체 상태에서 액체로 전환된다. 또한 가압된 환경에서도 수소가 액화되는 온도는 상당히 낮다. 대략 10barg로 가압하였을 때에도 수소는 -242℃ 수준에서 액체로 전환될 수 있다.
이와 같은 수소의 상변화 특성 때문에 상온(atmospherical temperature)에 가까운 저장탱크의 외부 조건과 -253℃의 액화수소가 저장되는 저장탱크의 내부 간에 크게는 300℃에 달하는 온도차가 발생하게 된다. 이러한 저장탱크의 내/외부 온도 차이는 열전달의 요인이 되고, 열전달로 인해 발생하는 열류(heat flux)에 의한 열침임으로 인하여 저장탱크 내부에 저장되어 있는 액화수소의 증발을 야기시킨다.
저장탱크 내부에서 발생하는 액화수소의 증발은 결국 수소의 저장 및 운송 과정 동안 수소의 손실로 다가온다. 가압형 저장탱크의 경우에는 견딜 수 있도록 설계된 최대허용압력(maximum design vapour pressure) 내에서 증발가스(BOG;Boil-Off Gas)를 저장탱크 내부에 저장할 수 있겠으나, 수소의 임계점(critical point)에 이르지 않게 관리해야 할 것이 요구되고, 지속적인 액화수소의 증발로 인하여 허용 내압을 넘어설 것이 예상되는 경우에는 증발가스를 저장탱크 외부로 방출할 수 밖에 없다.
LNG나 LPG와 대비하여 끓는점이 현저히 낮은 액화수소의 해상 운송시 액체 상태의 수소의 증발률을 저감시켜 운송 손실을 최소화하기 위해서는 액화수소가 저장되는 저장탱크의 단열성능을 높이거나 열손실을 줄이는 방안이 마련되어야 한다.
본 발명의 목적은, 수소의 해상 운송시 액체 상태의 수소를 상당한 기간 동안 열손실을 최소화한 상태로 저장하여 운송할 수 있도록 고성능 단열시스템을 갖춘 액화수소 저장탱크 및 이를 포함하는 해상 운송 수단을 제공하는데 있다.
한편, 가압형 저장탱크의 경우에는 크기 증가의 제약이 존재하기 때문에 일정 수준 이상의 대용량 수소 운송을 위해서는 상압의 저장설비를 구비할 것이 요구된다. 이에 본 발명은 액화수소의 저장/운송을 위한 저장탱크 및 이에 구축되는 단열시스템을 국제해사기구(IMO;International Maritime Organization)에서 분류하고 있는 Type A 독립형 탱크 형태로 설계 및 구성하여 제안하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 저장되는 액화수소와 직접 접하면서 1차적인 기밀을 수행하는 1차 방벽; 상기 1차 방벽의 외측으로부터 일정 거리 이격되어 설치되며 상기 1차 방벽과의 사이에 폐공간을 형성하는 2차 방벽; 상기 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공단열층; 상기 2차 방벽의 외측을 둘러싸도록 설치되는 보조단열층; 상기 1차 방벽과 상기 2차 방벽 사이에 설치되어 상기 1차 방벽을 지지하는 다수의 1차 방벽 지지체; 및 상기 2차 방벽과 선체 구조물 사이에 설치되어 상기 2차 방벽을 지지하는 다수의 2차 방벽 지지체를 포함하는, 독립형 액화수소 저장탱크가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 독립형 액화수소 저장탱크는, 상기 진공단열층의 내부에서 상기 1차 방벽의 외측 표면을 둘러싸도록 배치되는 다층박막단열재(multi-layer insulation); 및 상기 진공단열층의 내부 공간에 충진되는 분말형 단열재 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 분말형 단열재는 펄라이트(pelite), 중공미소유리구(hollow glass microspheres), 에어로겔(aerogel) 중 어느 하나로 마련될 수 있다.
상기 보조단열층은 진공단열패널(vacuum insulation panel), 폴리우레탄폼(polyurethane foam)을 포함하는 폼 형태의 유기 단열재 및 글라스울(glass wool)을 포함하는 무기 단열재 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
상기 1차 방벽 지지체는 상기 1차 방벽에 의해 형성되는 탱크의 내조와 상기 2차 방벽에 의해 형성되는 탱크의 외조 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 기능을 할 수 있다.
상기 1차 방벽 지지체는 상기 1차 방벽의 상/하부면, 좌/우 측면 및 전/후면을 포함하여 적어도 6 이상의 방향으로 형성되는 면 상에 배치될 수 있다.
상기 2차 방벽 지지체는 적어도 상기 2차 방벽의 상부면과 바닥면에 배치될 수 있다.
상기 1차 방벽 지지체는 PCTFE, PTFE, UHMWPE를 포함하는 플라스틱 소재 중 어느 하나로 구성되고, 상기 2차 방벽 지지체는 PCTFE, PTFE, UHMWPE를 포함하는 플라스틱 소재 중 어느 하나 또는 목재로 구성될 수 있다.
상기 1차 방벽 지지체는 상기 1차 방벽의 외측에 고정되는 것과 상기 2차 방벽의 내측에 고정되는 것의 2개로 분할 구성되고, 분할된 2개의 지지체는 서로 마주하는 면이 슬라이딩 가능한 형태로 서로 접하여 배치될 수 있다.
상기 다수의 1차 방벽 지지체 중 상기 액화수소 저장탱크의 중심에 위치하는 지지체의 경우 상기 중심의 수직 방향에 대한 이동을 제한하는 구조를 포함할 수 있다.
상기 2차 방벽 지지체는 상기 2차 방벽의 외측에 고정되는 것과 상기 선체 내벽에 고정되는 것의 2개로 분할 구성되고, 분할된 2개의 지지체는 서로 마주하는 면이 슬라이딩 가능한 형태로 서로 접하여 배치될 수 있다.
상기 다수의 2차 방벽 지지체 중 상기 액화수소 저장탱크의 중심에 위치하는 지지체의 경우 상기 중심의 수직 방향에 대한 이동을 제한하는 구조를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기에 기술된 특징들 중 적어도 어느 하나의 특징을 포함하는 독립형 액화수소 저장탱크를 구비한 해상 운송 수단을 제공할 수 있다.
상기 액화수소 저장탱크는 IMO Type A 탱크일 수 있다.
상기 해상 운송 수단은 액화수소 운반선일 수 있다.
본 발명은 끓는점이 현저히 낮은 액화수소의 저장 및 운송에 최적화된 것으로서, 대량의 수소 저장이 가능한 상압의 독립형 탱크 구현을 통해 운송 용량의 제약이 적은 동시에 액화수소를 상당한 기간 동안 열손실을 최소화한 상태로 저장하여 운송할 수 있도록 고성능 단열시스템을 갖춘 액화수소 저장탱크 및 이를 포함하는 해상 운송 수단을 제공한다.
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크는 진공 환경을 구현할 수 있는 구획을 형성하고 이를 통해 우수한 단열성능을 확보함으로써 열침입에 의한 액화수소의 손실율을 최소화할 수 있다. 따라서 본 발명은 해상을 통한 수소의 원거리 운송시 액화수소의 증발률(BOG;Boil-Off Rate)을 현저하게 저감시키고 에너지 손실을 최소화하는 경제적인 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크에서 1차 방벽과 함께 진공 환경을 조성하는 구획 구조물은 유사시 완벽한 2차 방벽으로서 기능하도록 구성됨으로써, 단열성능은 물론 구조적 안정성의 측면에서도 뛰어난 성능을 확보할 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 1, 2차 방벽 사이에 설치되는 1차 방벽 지지체를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 2차 방벽과 선체 구조물 사이에 설치되는 2차 방벽 지지체를 나타낸 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적 및 효과를 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조해야 한다.
본 명세서에 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와는 다소 상이할 수 있으며, 도면에 도시된 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장되거나 축소될 수 있고 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예컨대, 본 명세서에서 어떤 구성요소를 '포함'한다고 하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'된다고 하는 것은 직접적인 연결은 물론 간접적인 연결을 포함하는 것이며, 두 구성요소 사이에 다른 구성요소가 존재할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 저장탱크에 대해 '1차' 및 '2차'라는 용어를 사용하는 것은, 저장탱크 내부에 저장된 액화수소를 기준으로 액화수소를 1차적으로 밀봉 또는 단열하는 것인지 2차적으로 밀봉 또는 단열하는 것인지에 대한 기준으로 구사된 것이다.
또한, 관례상 저장탱크에 적용된 용어 '상부', '상측' 또는 '위'는 중력에 대한 방향과는 관계없이 탱크의 내측을 향하는 방향을 가리키는 것이고, 마찬가지로 용어 '하부', '하측' 또는 '아래'는 중력에 대한 방향과는 관계없이 탱크의 외측을 향하는 방향을 가리키는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로서 이에 의하여 본 발명이 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 구조를 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 1, 2차 방벽 사이에 설치되는 1차 방벽 지지체를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 2차 방벽과 선체 구조물 사이에 설치되는 2차 방벽 지지체를 나타낸 도면이다. 도 2 및 도 3은 각각 도 1에서 'A' 및 'B'로 표시된 부분을 확대 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는, 내부에 저장되는 액화수소와 직접 접하면서 1차적인 기밀을 수행하는 1차 방벽(primary barrier, 110); 1차 방벽(110)의 외측으로부터 일정 거리 이격되어 설치되며 1차 방벽(110)과의 사이에 폐공간을 형성하는 2차 방벽(secondary barrier, 120); 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이에 형성되는 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공단열층(130); 2차 방벽(120)의 외측을 둘러싸도록 설치되는 보조단열층(140); 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이에 설치되어 1차 방벽(110)을 지지하는 다수개의 1차 방벽 지지체(150); 및 2차 방벽(120)과 선체(H) 구조물 사이에 설치되어 2차 방벽(120)을 지지하는 다수개의 2차 방벽 지지체(160)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는 운송 수단의 내부에 구획되는 공간(S)에 탑재될 수 있다. 여기서 운송 수단은 바람직하게는 해상 운송 수단, 즉 선박일 수 있으며, 액화수소 저장탱크(100)가 탑재되는 공간(S)은 선체(hull, H) 구조물에 의해 구획된 공간일 수 있다.
1차 방벽(110)은 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)에서 액화수소가 저장되는 공간을 구획하는 역할을 하고, 액화수소와 직접 접하면서 1차적인 기밀을 수행한다.
1차 방벽(110)은 금속 기밀 구조를 갖출 수 있다. 1차 방벽(110)은 극저온의 액화수소를 안전하게 저장할 수 있도록 저온취성이 강한 금속 소재로 구성될 수 있으며, 예컨대 스테인리스강(stainless steel)을 포함하여 액화수소의 저장이 가능한 것으로 검증된 저온강재가 적용될 수 있다.
1차 방벽(110)의 내부 공간, 즉 액화수소가 저장되는 공간에는 액화수소의 적하역을 위한 배관, 펌프, 펌프 고정 구조, 탱크 및 화물 운용과 관련된 각종 센서, 밸브, 의장품 및 장비 등이 구비될 수 있다. 액화수소의 적하역과 관련된 배관 및 의장품은 1차 방벽(110)을 관통하여 외부로 연결될 수 있으며, 1차 방벽(110)의 관통부는 용접 등을 통하여 기밀이 유지되어야 한다.
1차 방벽(110) 내부로부터의 관통부는 1차 방벽(110) 내부에 구비되는 각종 센서 및 장비의 운용, 화물의 이송 등을 위해 1차 방벽(110)을 관통하여 외측으로 연결되는 부분에 해당하며, 최소한 하나 이상의 관통부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
2차 방벽(120)은 1차 방벽(110)의 외측으로부터 일정 거리 이격되게 설치되어 1차 방벽(110)과의 사이에 폐공간을 형성하는 구획 구조물로서, 완벽한 2차 방벽(complete secondary barrier)의 역할을 수행할 수 있도록 1차 방벽(110)과 동일 수준의 금속 소재(극저온용 강재)로 구성되며, 1차 방벽(110) 전체 공간을 외측에서 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이의 공간은 크게 진공 단열 기능층과 1차 방벽(110) 지지 구조, 1차 방벽(110) 내부로부터의 관통부 등으로 구성될 수 있다. 그리고 2차 방벽(120)의 외측 공간은 보조 단열 기능층과 2차 방벽(120) 지지 구조, 2차 방벽(120) 외부로의 관통부 등으로 구성될 수 있다.
1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이에 형성되는 폐공간은 진공을 형성하여 줌으로써 진공단열층(130)으로 만들어 준다. 진공단열층(130)은 1차 방벽(110)의 내부에 저장되는 액화수소를 1차적으로 단열시키는 주 단열층으로서 기능한다.
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는 1차 방벽(110)의 외측 표면을 둘러싸도록 설치되는 다층박막단열재(MLI;Multi-Layer Insulation, 131) 또는 진공단열층(130)의 내부 공간에 충진되는 분말형/비드형 댄열재를 더 포함하여 단열성능을 향상시킬 수 있다. 분말형/비드형 단열재는 펄라이트(pelite), 중공미소유리구(hollow glass microspheres), 에어로겔(aerogel), 에어로겔(aerogel) 등과 같이 진공 환경 하에서 단열성능이 우수한 가루 형태의 단열재로 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 1차 방벽(110)의 외측에 다층박막단열재(131)를 10겹 내지 100겹으로 감거나 또는 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이의 공간에 상술한 분말형 단열재를 채운 후 해당 공간에 대한 진공 형성 작업을 수행하여 진공단열층(130)을 형성할 수 있다. 이때, 진공 형성 작업은 저장탱크(100)의 외부에 설치되는 진공펌프(VP)를 가동하여 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이 공간의 공기를 빨아들임으로써 수행될 수 있다. 공기를 흡입하는 진공라인(VL)은 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120)의 사이 공간으로부터 2차 방벽(120)을 관통하여 외부로 연장되어 진공펌프(VP)와 연결될 수 있다. 진공라인(VL) 상에는 진공 형성시 진공도를 확인할 수 있도록 압력 게이지(PT)가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는 1, 2차 방벽(110, 120) 사이의 공간에 진공 상태를 부가함과 동시에 해당 공간 내에 단열 성능이 우수한 다층박막단열재(131)를 설치하거나 분말 또는 가루 형태의 단열재를 충진하여 "진공단열 + 다층박막단열재" 혹은 "진공단열 + 분말형 단열재" 형태의 단열 구조를 갖출 수 있다. 다층박막단열재(131)와 분말형 단열재는 진공 단열에 더하여 선택적으로 적용되거나 혹은 둘 모두 적용될 수도 있다.
1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이, 즉 진공단열층(130)의 공간 내에는 두 방벽(110, 120) 사이를 지지하고 공간을 확보하기 위한 1차 방벽 지지체(150)가 설치될 수 있다.
도 2를 참조하면, 1차 방벽 지지체(150)는 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이에 키(key) 또는 서포트(support) 형태로 설치될 수 있으며, 1차 방벽(110)의 구조 건전성과 진공단열층(130)으로 구성되는 단열 공간의 구획을 일정하게 유지하는 기능을 담당할 수 있다.
1차 방벽 지지체(150)는 지지되는 두 구조물, 즉 1차 및 2차 방벽(110, 120) 사이의 열전달에 의한 손실을 최소화할 수 있도록 극저온에서 사용 가능한 플라스틱, 예컨대 PCTFE(PolyChloroTriFluoroEthylene), PTFE(PolyTetraFluoroEthylene), UHMWPE(Ultra-High-Molecular-Weight PolyEthylene) 등의 소재로 구성될 수 있다.
다수개로 마련되는 1차 방벽 지지체(150)는 각각이 위치하는 지점에서 1차 방벽(110)의 외측에 형성되는 지지체 수용부(111)에 고정되거나 접하는 동시에 2차 방벽(120)의 내측에 형성되는 지지체 수용부(121)에 고정되거나 접하는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 1차 방벽 지지체(150)는 1차 방벽(110) 측에 형성되는 지지체 수용부(111)에 고정되는 것과 2차 방벽(120) 측에 형성되는 지지체 수용부(121)에 고정되는 것을 포함하도록 2개로 분할 구성될 수 있으며, 상하로 배치된 분할체가 서로 접하도록 배치될 수 있다. 참고로 여기서 '상하'란 중력에 대한 방향과는 관계없이 저장탱크의 '내외측'을 의미하는 것이다.
1차 방벽 지지체(150)를 2개로 분할 구성하는 이유는, 극저온에 의한 열수축 및/또는 액화수소 저장탱크(100)가 탑재되는 운송 수단(예컨대, 선박)의 자유도 운동에 따라 내조를 구성하는 1차 방벽(110)과 외조를 구성하는 2차 방벽(120) 간에 상대 변위가 발생하였을 때, 상하로 분할 구성된 1차 방벽 지지체(150)가 서로 슬라이딩 운동하여 구조적인 안정성을 꾀할 수 있도록 하기 위함이다(도 2 참조).
또한, 다수의 1차 방벽 지지체(150) 중 액화수소 저장탱크(100)의 중심에 위치하는 지지체의 경우에는 액화수소 저장탱크(100) 중심의 수직 방향에 대한 이동을 제한하는 구조를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 진공단열층(130)이 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)에서 주된 단열층으로서 기능하는 것이라면, 보조단열층(140)은 1차 방벽(110)의 손상으로 인해 누수가 발생하여 2차 방벽(120)이 15일 동안 임시 저장의 기능을 담당하는 동안 운송 수단(예컨대, 선박)이 극저온에 노출되는 것을 방지하기 위해 2차 방벽(120)의 외측에 설치되는 보조적인 단열층이다.
보조단열층(140)은 진공단열패널(VIP;Vacuum Insulation Panel)이나 폴리우레탄폼(polyurethane foam)과 같은 폼 형태의 유기 단열재 혹은 글라스울(glass wool)과 같은 무기 단열재 등을 포함하는 다양한 단열재 중 어느 하나를 2차 방벽(120)의 외측면에 시공하여 형성될 수 있다.
2차 방벽(120)과 선체(H) 내벽 사이에도 두 구조물 사이를 지지하고 공간을 확보하기 위한 2차 방벽 지지체(160)가 설치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 2차 방벽 지지체(160)는 1차 방벽 지지체(150)와 유사하게 2차 방벽(120)과 선체(H) 사이에 키 또는 서포트 형태로 설치될 수 있으며, 2차 방벽(120)의 구조 건전성을 유지하는 기능을 한다.
2차 방벽 지지체(160)는 지지되는 두 구조물, 즉 2차 방벽(120)과 선체(H) 사이의 열전달에 의한 손실을 최소화할 수 있도록 PCTFE, PTFE, UHMWPE 등과 같이 극저온에서 사용 가능한 플라스틱 소재나 목재(wood)를 사용하여 구성될 수 있다. 2차 방벽 지지체(160)는 보조단열층(140)의 유효 두께 이상으로 구비되도록 크기가 결정될 수 있다.
다수개로 마련되는 2차 방벽 지지체(160)는 각각이 위치하는 지점에서 2차 방벽(120)의 외측에 형성되는 지지체 수용부(122)에 고정되거나 접하는 동시에 선체(H) 내벽에 형성되는 지지체 수용부(HA)에 고정되거나 접하는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 2차 방벽 지지체(160)는 2개로 분할 구성되어 상하로 배치된 분할체의 마주하는 면이 서로 접하도록 배치되고, 저장탱크(100)의 외조를 구성하는 2차 방벽(120)과 선체(H) 간에 상대 변위가 발생하였을 때 상하로 분할 구성된 2차 방벽 지지체(160)가 서로 슬라이딩 운동하여 구조적인 안정성을 꾀할 수 있음(도 3 참조)은 1차 방벽 지지체(150)에서 설명한 것과 동일한 원리를 이용하는 것이다.
다수의 2차 방벽 지지체(160) 중 액화수소 저장탱크(100)의 중심에 위치하는 지지체의 경우에도 액화수소 저장탱크(100) 중심의 수직 방향에 대한 이동을 제한하는 구조를 포함할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 1차 방벽 지지체(150)는 저장탱크(100)의 내조를 구성하는 1차 방벽(110)에 대하여 상/하/좌/우 방향으로 배치될 수 있음은 물론 도면상으로는 확인되지 않는 전/후 방향으로도 배치될 수 있다. 1차 방벽 지지체(150)는 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이의 간격, 즉 진공단열층(130)의 구획을 일정하게 유지하는 중요한 기능을 담당하기 때문에, 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)가 탑재된 해상 운송 수단(예컨대, 선박)의 6자유도 운동이나 운항 중 탱크 내부에서 발생하는 슬로싱 하중 등에 대하여 보다 건전성이 높은 구조를 구현하기 위하여 1차 방벽 지지체(150)를 상하/좌우/전후의 6방향으로 모두 배치하는 것이다. 1차 방벽 지지체(150)는 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120)이 서로 마주하게 되는 각 면 상에 다수개가 일정한 간격으로 배치될 수 있다.
이에 반해, 2차 방벽 지지체(160)는 적어도 저장탱크(100)의 상/하면에만 배치되어도 충분하다. 그러나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 선박에 발생하는 운동 및 저장탱크(100)에 작용하는 외력의 정도 등을 고려하여 필요시 저장탱크(100)의 좌/우 측면이나 전/후면에도 2차 방벽 지지체(160)를 배치할 수 있음은 물론이다.
방벽(110, 120) 관통부는, 1차 방벽(110) 내부에 구비되는 각종 센서 및 장비의 운용, 화물의 이송을 위해 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120)을 연속해서 관통하여 탱크의 외부로 연결되는 부분과, 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이의 공간에 구비되는 각종 센서 및 단열재의 충진, 진공 등 내부 환경 구현을 위한 배관 등이 2차 방벽(120)을 관통하여 탱크 외부로 연결되는 부분을 포함할 수 있으며, 보조단열층(140)이 함께 관통될 수 있다.
저장탱크(100)의 외부로부터 보조단열층(140)과 2차 방벽(120) 및 1차 방벽(110)을 관통하여 1차 방벽(110)의 내부 공간으로 연결되는 대표적인 구성으로는, 탱크 내부로 액화수소를 선적/하역하는데 이용되는 로딩/언로딩 배관(L1), 1차 방벽(110)에 의해 형성되는 탱크 내조의 상부 공간에 소량의 액화수소를 분사하여 액화수소의 증발을 방지하는 내조 냉각 라인(L2), 1차 방벽(110)에 의해 형성되는 탱크 내조 공간에서 발생하는 증발가스를 배출하는 증발가스 배출 배관(L3), 1차 방벽(110) 내부에 설치되는 각종 센서 및 전계장 장비들과 연결되는 센서 및 전계장 라인(L4)을 들 수 있다. 센서 및 전계장 라인(L4)은 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이의 공간으로도 연장되어 해당 공간에 설치되는 각종 센서 및 전계장 장비들과 연결될 수 있다.
그리고, 저장탱크(100)의 외부로부터 보조단열층(140)과 2차 방벽(120)을 관통하여 1차 방벽(110)과 2차 방벽(120) 사이의 공간으로 연결되는 대표적인 구성으로는, 전술한 진공라인(VL)을 들 수 있겠다.
방벽(110, 120)의 관통시에는 용접 등을 통해 관통부의 기밀이 유지되어야 한다. 1차 방벽(110)으로부터의 관통부와 2차 방벽(120)에서의 관통부는 같은 위치에 형성되거나 또는 별도의 위치에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는 상압 탱크로 마련될 수 있고, 보다 바람직하게는 IMO에서 규정하는 Type A 독립형 탱크로 마련될 수 있다. IMO에서 규정하고 있는 기준을 근거로 할 때 설계 가스 압력(design vapour pressure)이 0.7barg 이하로 설계되는 탱크를 상압 탱크로 구분할 수 있다.
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크(100)는 예컨대 액화수소 운반선과 같은 선박에 탑재되어 해상을 통한 수소의 원거리 수송에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 기술적 사상은 액화수소 운반선과 같이 자체적으로 추진 능력을 가진 선박은 물론 액화수소를 해상에서 상당한 기간동안 저장하기 위한 것이라면 자체적으로 추진 능력이 없더라도 해상에 부유하고 있는 다양한 부유식 해상 구조물에 적용될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크는, 대량의 수소 저장이 가능한 상압의 독립형 탱크 구현을 통해 운송 용량 제약이 적은 상압의 액화수소 저장설비를 마련함과 동시에 진공 단열 구현을 통하여 열침입에 의한 액화수소의 손실률을 최소화함으로써 우수한 단열성능의 확보가 가능함은 물론이고, 1차 방벽과 함께 진공 환경을 조성하는 구획 구조물이 유사시 완벽한 2차 방벽으로 기능하도록 구성하여 구조적 안정성이 매우 뛰어나다는 점에서 운영적인 측면에서도 큰 장점이 있다.
본 발명에 따른 액화수소 저장탱크는 특히 끓는점이 현저히 낮은 액화수소의 저장 및 운송에 최적화된 것으로서, 진공 단열의 구현을 통해 고성능의 단열성능이 확보됨에 따라 열침입에 의한 액화수소의 손실율을 최소화할 수 있고, 따라서 해상을 통한 원거리 수소 운송시 액화수소의 증발률을 현저하게 저감시키고 에너지 손실을 최소화하는 경제적인 효과를 가진다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 액화수소 저장탱크
110: 1차 방벽
120: 2차 방벽
130: 진공단열층
140: 보조단열층
150: 1차 방벽 지지체
160: 2차 방벽 지지체
H: 선체

Claims (15)

  1. 내부에 저장되는 액화수소와 직접 접하면서 1차적인 기밀을 수행하는 1차 방벽;
    상기 1차 방벽의 외측으로부터 일정 거리 이격되어 설치되며 상기 1차 방벽과의 사이에 폐공간을 형성하는 2차 방벽;
    상기 폐공간을 진공으로 형성하여 마련되는 진공단열층;
    상기 2차 방벽의 외측을 둘러싸도록 설치되는 보조단열층;
    상기 1차 방벽과 상기 2차 방벽 사이에 설치되어 상기 1차 방벽을 지지하는 다수의 1차 방벽 지지체; 및
    상기 2차 방벽과 선체 구조물 사이에 설치되어 상기 2차 방벽을 지지하는 다수의 2차 방벽 지지체를 포함하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공단열층의 내부에서 상기 1차 방벽의 외측 표면을 둘러싸도록 배치되는 다층박막단열재(multi-layer insulation); 및
    상기 진공단열층의 내부 공간에 충진되는 분말형 단열재 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 분말형 단열재는 펄라이트(pelite), 중공미소유리구(hollow glass microspheres), 에어로겔(aerogel) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 보조단열층은 진공단열패널(vacuum insulation panel), 폴리우레탄폼(polyurethane foam)을 포함하는 폼 형태의 유기 단열재 및 글라스울(glass wool)을 포함하는 무기 단열재 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 1차 방벽 지지체는 상기 1차 방벽에 의해 형성되는 탱크의 내조와 상기 2차 방벽에 의해 형성되는 탱크의 외조 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 기능을 하는 것을 특징으로 하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 1차 방벽 지지체는 상기 1차 방벽의 상/하부면, 좌/우 측면 및 전/후면을 포함하여 적어도 6 이상의 방향으로 형성되는 면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 2차 방벽 지지체는 적어도 상기 2차 방벽의 상부면과 바닥면에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 1차 방벽 지지체는 PCTFE, PTFE, UHMWPE를 포함하는 플라스틱 소재 중 어느 하나로 구성되고,
    상기 2차 방벽 지지체는 PCTFE, PTFE, UHMWPE를 포함하는 플라스틱 소재 중 어느 하나 또는 목재로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 1차 방벽 지지체는 상기 1차 방벽의 외측에 고정되는 것과 상기 2차 방벽의 내측에 고정되는 것의 2개로 분할 구성되고, 분할된 2개의 지지체는 서로 마주하는 면이 슬라이딩 가능한 형태로 서로 접하여 배치되는 것을 특징으로 하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 다수의 1차 방벽 지지체 중 상기 액화수소 저장탱크의 중심에 위치하는 지지체의 경우 상기 중심의 수직 방향에 대한 이동을 제한하는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 2차 방벽 지지체는 상기 2차 방벽의 외측에 고정되는 것과 상기 선체 내벽에 고정되는 것의 2개로 분할 구성되고, 분할된 2개의 지지체는 서로 마주하는 면이 슬라이딩 가능한 형태로 서로 접하여 배치되는 것을 특징으로 하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 다수의 2차 방벽 지지체 중 상기 액화수소 저장탱크의 중심에 위치하는 지지체의 경우 상기 중심의 수직 방향에 대한 이동을 제한하는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    독립형 액화수소 저장탱크.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 따른 독립형 액화수소 저장탱크를 구비한 해상 운송 수단.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 액화수소 저장탱크는 IMO Type A 탱크인 것을 특징으로 하는,
    해상 운송 수단.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 해상 운송 수단은 액화수소 운반선인 것을 특징으로 하는,
    해상 운송 수단.
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